200t简易液压压力机设计.docx
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200t简易液压压力机设计
摘要
液压机是一种利用液体压力能来传递能量，以实现各种压力加工工艺的机器。
通过对液压机的特点及分类的分析，确定了本课题的主要设计内容。
在确定了液压机初步设计方案后，决定采用传统理论方法对其设计、计算、强度校核，采用AutoCAD设计软件对上横梁、下横梁、活动横梁、液压缸、立柱、机身结构进行了工程绘图，确定其液压系统的设计方案，给出了液压系统的工作说明书，并对其进行了可行性分析，最后对整个设计进行系统分析，得出切实可行的方案。
关键词：
液压压力机；液压缸；液压成型；液压系统
Abstract
Hydraulic-pressisamachinewhichcometomanufacturethroughusinghydraulicpress.Byanalyzingthehydraulic-pressmachine,thismaincontentofthearticlewasdetermined.Afterdeterminingthepreliminarydesignplanofthehydraulic-pressmachine,thetraditionalmethodswasusedtodesignandexaminationthebodyofhydraulic-pressmachine.The2Dand3Dgraphaboutthetop-beam,lower-beam,activebeam,goesagainstthecylinder,thecolumn,thefinalassemblydrawingweredrawbyusingthesoftwareofAutoCAD.Atthesametime,producingthemanualofthehydraulicsystem,andanalyzingthefeasibilityofit.Finally,atotalanalysistothewholedesignwasdone,andtheresultthatthewholedesignwasfeasible.
KeywordsHydraulicpressHydrauliccylinderBodyofstructureHydraulicsystem
1绪论
1.1液压压力机的发展史及功能
液压压力机是近百年才发展起来的一种制品成型设备。
1884年，英国首先制造出用于锻造钢锤的锻造液压机，1887-1888年又制造出了一系列用于锻造的液压机，其中公称压力最大的一台的水压机已达到40000KN。
二战后，航空产业得到飞速发展，特别是美国，制造出了两台公称压力分别为31500KN和45000KN的超大型模锻液压压力机。
最近几年，大批新型液压元件研制成功，这些新型液压元件大都是在集成块的基础上发展而来的，他们的结构比较紧凑，故而所占空间体积更小，重量也更加轻便，并且还具有密封性好，噪声小等优点。
而在我国，液压压力机也得到了较快发展，在六十年代，我国设计并制造出了一系列大型液压机，当中比较典型的包括300000KN的有色金属模锻水压机、120000KN有色金属挤压水压机。
近些年，我国的液压压力机得到了进一步发展，已经研制出了多种独特型号的液压机并制定出来多种零部件的标准。
液压压力机用途较广，不仅适用于拉伸、冷挤压、弯曲、翻边等冲压工艺，还可用于压装、校正、粉末冶金等多种工艺。
相对其他加工设备而言，液压压力机具有诸多优点：
（a）工作灵活，工作压力、速度、行程可以调节；（b）具有保压、延时、自动回程功能，并带有顶出功能，在加工完成后，可顶出加工件；（c）工作台平面面积大，工作总行程长，可实现多种加工工艺。
按照机身结构，液压压力机可分为单柱式液压机、四柱式液压机、卧式液压机、立式液压机；按照工作介质分，也液压压力机又可分为采用乳化液的水压机和采用矿物油作为工作介质的油压机；按照其自身用途又可分为锻压液压机、冲压液压机、挤压液压机、压层液压机、校正压装液压机等机型。
1.2液压压力机的工作原理
液压机主要由机身、液压控制系统以及泵站三个部分组成。
泵站是整个设备的动力源，给各个执行机构和控制机构提供所需压力的工作液体。
液压控制系统控制系统中各部分的液体压力，以获得需要的合适压力。
它通过控制工作液体的流向来使各执行机构完成工艺要求所需的动作，从而借助执行元件完成各种加工工艺。
机身是液压压力机的执行元件。
最常见的液压机本体结构型式主要由上横梁、活动梁、下横梁和四个立柱构成，这四组机构构成一个封闭的框架，共同来承受全部工作载荷。
工作缸固定在上横梁上，工作缸内装备着工作柱塞，工作柱塞与活动梁相连接，工作柱塞的运动状态由液压系统控制，而工作柱塞的动作直接确定活动横梁的运动状态。
活动横梁在上、下横梁之间做上下往复运动，并以四根立柱作为导向，活动横梁下方被固定有上砧，而下砧则固定在下横梁上，和下横梁成为一个整体，被加工工件就被固定在下砧板上，接受上下砧的压制。
当高压液体进入工作缸时，工作液体会对柱塞产生很大的压力，同时推动柱塞、活动横梁及上砧一起向下运动，用上砧压制工件，使工作产生塑性变形，实现加工工艺。
执行回程功能时，工作液体进入回程缸，推动柱塞向上运动，实现活动横梁的回程。
为满足液压压力机的加工工艺要求，顺利完成加工工艺，液压缸运动状态必须符合以下工作循环：
快速下行慢速加压保压延时快速返回原位停止；液压机的工作压力、速度和保压时间都是可以调节的[10]。
液压缸工作循环图如图1-3所示。
图1-3压力机工作循环图
2液压机本体结构设计
2.1液压机本体结构设计要求
液压机本体结构设计应考虑以下三个基本原则：
1尽可能满足工艺要求，便于操作；
2具有合理的强度与刚度，使用可靠；
3具有很好的经济性，制造维修方便。
其中，工艺要求是最重要的一个因素，由于在液压机上进行的加工工艺多种多样，因此液压机的本体结构型式也必然是多样的。
从立柱的数量看，有立柱式、单臂式和框架式。
立柱式又可分四柱、双柱、三柱及多柱等。
从工作缸的数量看，有单缸、双缸及多缸。
本液压机采用的是三梁四柱式，它是由上横梁、下横梁和四个立柱组成的一个封闭起式的框架。
封闭式框架承受主要工作载荷。
工作缸固定住上横梁上，活动横梁以立柱为导向，在上下横梁之间做往复运动，活动横梁下表面固定有上砧，下砧则固定在下横梁上表面。
立柱之间的距离可根据工作要求确定，活动横梁的上下移动距离须得根据设计给的的工作行程确定。
考虑到加工过程中需要安装夹具等设备，可适当大些。
当高压液体进入工作缸后，推动活塞杆进行或向上或向下的运动。
活塞杆与活动横梁连在一起，推动活动横梁及工作台向下运动时，使两工作台间的物体产生塑性变形或保持一定时间的压力，达到工艺要求。
2.2液压缸的设计
2.2.1液压缸的部件
液压缸的功能就是把液体压力能转换成机械能，它是液压机机身的主要部件之一。
。
高压液体进入缸内后，作用在柱塞上，通过活动横梁将力传送到加工件上，使工件产生塑性变形。
它
压缸的结构及用途：
液压缸部件通常可分为柱塞式、差动柱塞式、活塞式三种。
一般根据液压机总体结构、缸的总压力大小及工作条件来选择。
1）柱塞式液压缸此结构在水压机中应用最多，广泛用于主工作缸、回程缸、工作台移动缸及平衡缸等处。
它结构简单、易于制造，但只能单方向作用，反向运动则需要借助回程缸来实现。
3）差动柱塞式液压缸多用于回程缸，该种结构多一处密封，当回程缸安装在上横梁上时，与活动横梁的连接比较简单。
2）活塞式液压缸活塞在运功的两个方向上都要求密封，因此缸的内表面在全长上均需加工，精度及光洁要求较高，且结构复杂，故在水压机中应用不多，仅应用在顶出缸和其它辅助机构中，在中小型油压机上应用比较普遍。
2.2.2参数拟定
公称压力：
F=2000KN
主缸快进行程：
600mm，速度：
100mm/s；
主缸工进行程：
100mm，速度：
10mm/s；
顶出缸顶出速度：
70mm/s；
顶出缸回程速度：
140mm/s。
2.2.3液压缸内径计算
从文献[3]中查得
式（2.1）
式中p——表示工作压力，根据表2-1确定工作压力p=25MPa；
D——表示液压缸内径；
——表示液压缸机械效率，此次取值
=0.9；
故
mm式（2.2）
取整D=340mm；
表2-1按主机类型选择执行元件工作压力[12]
主机类型
机床
农业机械
小型工程机械
工程机械辅助机构
液压机
挖掘机
重型机械
起重运输机械
磨床
组合机床
龙门刨床
拉床
工作压力p/MPa
2
3-5
5
8-10
10-16
20-32
2.2.4柱塞直径的计算
从文献[5]中查得
式（2.3）
式中d——表示柱塞直径；
——表示速比，根据表2-2确定
=2；
故
mm式（2.4）
取整d=240mm
表2-2公称压力与速比
公称压力/MPa
10
12.5-20
20
1.33
1.462
2
2.2.5液压缸壁厚的计算
从文献[1]中查得
式（2.5）
式中D——表示液压缸内径；
——表示液压缸壁厚；
——表示缸筒材料许用应力，
，
——表示材料的抗拉强度，材料选45钢，
=600MPa，n——表示安全系数，取n=3；
故
mm式（2.6）
由于
式（2.7）
所以按薄壁筒计算
式（2.8）
式中
——表示最大压力，此处
=25MPa。
故
式（2.9）
取整
=22mm
2.2.6缸筒外径的计算
式（2.10）
式中
——表示缸筒外径。
故
mm式（2.11）
2.2.7缸底厚度的计算
从文献[1]中查得
式（2.12）
式中
——表示缸底厚度；
D——表示液压缸内径；
——表示最大压力；
——表示缸筒材料许用应力。
故
式（2.12）
取整
=55mm
2.3柱塞的设计
2.3.1柱塞的结构
柱塞一般用锻钢或铸钢制成，有时也可先分段锻造或铸造，然后再使用电渣焊将几个分段焊成一个柱塞。
柱塞可以加工成实心的，也可以加工成空心的。
但加工空心柱塞时要注意柱塞的开口不能向上，即必须向着缸底。
否则，在泄压时，机身会产生剧烈的振动。
有的柱塞顶部还安装有节流塞，当柱塞运动到接近极限位置时，节流塞塞入进油孔，起到节流的作用，从而降低柱塞的速度，防止回程时柱塞以较大的速度撞击缸底，对缸体造成破坏。
2.3.2柱塞的表面质量
柱塞在导向套中做往复运动，受到偏心载荷时还会发生小角度的倾斜，因此柱塞受到的磨损会比较严重。
注意到这个问题，在对柱塞进行加工时必须保证其表面具有足够的光洁度和硬度，否则会影响柱塞的密封寿命，最终影响生产效率。
柱塞的材料一般采用45号钢或50号钢，有的也采用冷硬铸钢。
表面光洁度必须保证在
7以上，表面硬度应当高于HRC40～45。
通常柱塞的表面需要进行热处理，常采用的表面热处理工艺有：
火焰表面淬火、调质处理、表面镀铬、氮化处理等。
火焰表面淬火工艺比较简单，但有些时候会出现软带；进行调质处理后，表面硬度往往达不到要求；采用镀铬处理会有比较好的效果，但要注意镀层不可太厚；进行氮化处理后，硬度、耐磨性、抗腐蚀性都会符合要求。
[13]。
2.4立柱设计
2.4.1经验分析
液压机的立柱与上横梁、下横梁三者共同组成一个封闭的受力结构，当受到偏心载荷时，立柱不但会受到轴向力，还会受到径向力和弯矩，这会使立柱的受力情况变得复杂，从而在一定程度上就降低了计算的可靠性。
液压机在工作过程中做频率较高的往复运动，快进时的加载和在卸载时能量的释放还会引起机架的振动。
在进行立柱的强度计算式，应该考虑到这些不利因素。
通过查阅相关参考资料，整理了以下几点在进行立柱设计时必须考虑到的问题：
1）小型压机速度快、机架刚度较差，并且操作频繁，故其工作强度会比较大，更容易遭受破坏。
而大型液压机速度慢、使用次数较少、机架刚性较好，相对于小型液压机来说，其工作强度是比较小的，因而很少受到损坏。
所以对大小型液压机的立柱强度进行计算时应有所区别。
据不完全统计，立柱的断裂大多数发生在25000KN以下的小型液压机，在我国，16000KN以下的锻造液压机已经断过十几根立柱，而大型液压机几乎没有发生过断裂。
2）立柱的疲劳破坏大部分发生在应力集中过大或零件本身具有缺陷的地方。
在载荷的反复作用下，使得原来的裂纹进一步扩展，最终导致整个立柱的断裂破坏。
故在立柱加工时，应尽量提高立柱的加工质量。
3）小型液压机立柱很多断在下横梁上从螺纹到光滑部分的过渡区的截面上，这是因为这里存在着压力集中，而且还要承受较大的弯矩。
故应采取一些方法来降低应力集中[15]。
2.4.2立柱直径的计算
从文献[6]中查得
式（2.13）
式中F——表示公称压力；
n——表示安全系数，此处n=5；
——表示立柱直径；
——表示材料抗拉应力，此处立柱选材45钢，
=600MPa；
z——表示立柱的数量。
故
式（2.14）
考虑到立柱的局部有螺纹加工，取
=80mm
2.5横梁的设计
2.5.1经验分析
由于三个横梁的尺寸较大，直接铸造成实心的质量会相当大，不符合实用性，同时也不符合经济性要求，故横梁一般设计成箱体结构。
又考虑到工作中的强度和刚度要求，需在箱体内部添加筋板结构，载荷较大的部位，则要加大筋板的分布密度，以保证足够的强度和刚度。
筋板一般成方格形布置也可成辐射状布置，在安装缸体和立柱的部位一般设计成圆筒形。
横梁的材料一般采用Q235碳素钢，小型的液压机也可采用铸铁。
横梁大多通过铸造制成，有时也可采用焊接工艺。
横梁在设计的过程中，应避免厚度有突然变化的部分，在过渡区应该设计出较大的圆角，因为尺寸的突然变化会产生较大的集中应力，大大降低零件的可靠性。
在轧制钢板和焊接技术得到一定发展的今天，钢板焊接横梁由于其具有结构质量小、强度高、加工时长段等优点，正在得到日益广泛的应用。
但对于大型的焊接件，在其焊后进行退火加工时需要大型的热处理设备，而且变形很难得到控制，更容易产生裂纹，因此在很大程度上受到了限制，加工要求过高的零件不能采用此方法。
横梁的窄边尺寸应该尽量小点，这是为了便于锻造吊车的吊钩接近液压机的几何中心。
横梁的宽边大小有立柱间的中心距确定。
横梁的立柱孔的高度普遍设计为立柱的直径的2.5-3.5倍。
大型液压机由于受到诸多方面的限制，一般设计为块结构，然后各组成块之间用键和螺栓、螺钉联接起来。
至于小型液压机，大多设计成整体结构[6]。
2.5.2上横梁的设计
上横梁上除了要设计工作缸孔和立柱孔以外，有的还需设计安装回程缸的孔。
在铸造能力许可的情况下，铸造中、小型单缸液压机时可以将工作缸与上横梁铸成一个整体。
上横梁变形和吊缸钉松动会使液压缸产生上下窜动，而使上横梁与工作缸法兰的支承接触面出现压陷现象，破坏两者之间的接触精度，形成沿圆周方向不均匀的局部接触，局部支承反力过大的问题，最终降低工作缸的使用寿命。
因此使用的过程中应经常注意拧紧松脱的螺母。
考虑到维修时常需重新车削这个接触面，故在这里应设计一凸台，凸台高度
应满足几次的重车量，初步估计每次约为3～5mm，因而
一般为10～20mm[6]。
原定上横梁立柱孔的配合间隙为
，但在实际安装的过程中，往往因立柱的垂直度公差会进行叠加），而发生装不进的问题，所以对中小型液压机的柱孔应有1～2mm的间隙，不配合部分无须加工，在直径上可稍微扩大一些，而且下孔的间隙则需更大些。
在大型液压机上，则可使用调整套，以便进行调整。
为了保证工作缸的支承面上具有均匀的刚度，上横梁工作孔应当设计成圆柱形的支承筒形式，从而不会出现由于上梁不均匀变形而使支承反力局部集中，降低缸使用寿命的情况。
工作缸孔的配合采用
，为了方便安装，下孔的直径应当比上孔的直径大10～20mm。
这里，设计上横梁的长度
=850mm，宽度
=700mm，高度
=350mm。
2.5.3活动横梁的设计
活动横梁与工作柱塞相联接，其接触部位应有足够的高度和强度来承受较大的工作压力，因此这里柱塞下面的筋板设计成方格形。
为防止工作缸漏出的液体积存在活动横梁的内部，应当将上板盖设计成封闭式的，并能够顺利排出积存的液体。
这里设计活动横梁的长度
=850mm，宽度
=700mm，高度
=300mm。
2.5.4下横梁的设计
下横梁也称底座，它通过支座支承在地基上。
下横梁窄边的宽度应保证能够放下马架，不致于使马架落到侧梁上。
考虑到要保证整个压机的刚性，下横梁的刚度要求应当稍微严格一些。
下横梁上一般安装有移动工作台，有的还安装有顶出器，下横梁的两侧一般还有测梁，以便于安装移动工作缸、导向块及拉带等部件。
这里设计下横梁长度
=850mm，宽度
=700mm，高度
=400mm。
2.6油箱的设计
根据容积的要求，及油面高度80%的条件并考虑到油箱散热、沉淀杂质的功能这两个因素对油箱进行设计。
油箱一般用4mm左右的钢板焊接而成，有时也可铸造。
本油箱由于要兼做液压元件、安装台，故需要选用厚一点的钢板。
这里，选箱底和侧壁厚为10mm，盖板厚为12mm。
油箱内装有隔板，将泵的吸油管和回油管隔开。
吸油管路和回油管路被隔开，吸油腔与黄油腔用滤网隔开以便过滤系统回油。
侧板装有油位计和注油口，其中油位计和注油口应距离较近，以便于注油者进行观察。
油箱盖板上安装有空气滤消器，以防止泵在吸油的过程中，空气中的杂质微粒进入油液中。
液压泵和电动机安装在盖板上并用螺栓固定。
油箱侧管应设置有清扫窗孔，在油箱清洗时可以打开，以便于檫拭油箱的内部。
油箱底部距离地面需有一定高度，且具有1:
30的斜度，卸油口设在最底处，以便于换油时将旧油全部排出。
油箱密封效果要好，防止油箱渗漏到箱外，同时避免外界粉尘侵入箱内。
油箱内壁涂耐油的防油漆[16]。
3液压系统的设计
主要讨论液压传动系统设计和计算方法。
在此讨论的是静态的、经验的设计方法，通过这种方法可以设计出一个能实现预期功能的传动系统。
而系统仅仅能实现所预期的功能是不够的，系统的动作质量及动作发生的时间历程也是很重要的，而且在现代机械设备中，这两个因素往往是更加重要的，这些问题需要运用现代设计方法和手段进行系统的动态分析和设计。
随着液压技术以及计算机技术的迅速发展，液压系统的计算机辅助设计、计算等已经得到了大力推广和应用。
液压系统的设计是整个机器设计的一个重要部分，它与主机的设计是密切相关的。
通过查阅相关的参考资料，再经过总结，可以确定液压系统的设计计算步骤大致如下：
（1）明确系统设计要求；
（2）分析主机工矿，确定液压系统主要参数；
（3）拟定液压，系统原理图；
（4）液压元件的计算与选择；
（5）液压系统的性能验算；
（6）进行结构设计。
在以上的设计步骤中，前五项属于性能设计，它们互相影响，互相渗透；最后一项属于结构设计，进行时必须先查明液压元件的结构和配置方式，仔细查阅有关产品样本、设计手册和资料。
3.1明确系统设计要求
液压系统的设计必须能全面满足设备的各项功能和技术性能。
因此，在开始设计液压系统时，必须先对机械设备的工作情况进行详细的分析，明确设备对液压系统提出的要求，具体需要熟知的内容包括：
（1）主机的用途、类型、主要结构、总体布局以及对液压系统执行元件在位置布置和空间尺寸上的限制。
（2）对液压系统动作和性能的要求：
如主机的工作循环、液压执行元件的运动方式（往复直线运动旋转运动或摆动）、自动化程度、调速范围、运动平稳性和精度、负载状况及其工作范围。
（3）主机各液压执行元件的动作顺序或互锁要求。
（4）液压系统的工作环境和工作条件，如周围介质环境温度、湿度、尘埃情况、外界冲击振动等。
（5）其他方面的要求，如液压装置在质量、外形尺寸、可靠性、经济性等方面的规定和限制。
3.2工况分析
3.2.1主液压缸参数
3.2.1.1液压缸行程安排
主缸快进行程：
600mm，速度：
100mm/s；
主缸工进行程：
100mm，速度：
10mm/s；
主缸回程：
700mm，速度：
50mm。
3.2.1.2液压缸工作压力计算
（1）惯性力：
快速下降时起动
从文献[4]中查得
式（3.1）
式中m——表示移动件（包括活塞、活动横梁及上模）质量
——表示快进时压头从开始启动到达到快进速度所增大的速度；
——表示压头启动时间。
快速回程时起动与制动
式（3.2）
——表示回程时压头从开始启动到达到回程速度所增大的速度；
其他参数同上。
压制力：
初压阶段由零上升到F1=2×106N×0.10=2×105N
终压阶段上升到F2=2×106N
回程力（压头离开工件时的力）：
一般冲压液压机的压制力与回程力之比为5～10，本压力机取为5，故回程力为Fh=
N。
各阶段负载见表3-1，负载图见图3-1，工作压力图见图3-2。
表3-1主缸的负载
工作阶段
负载力FL（N）
液压缸推力
（N）
液压缸工作压力（Pa）
（回程时
）
快速下行
起动
1525
1694.4
18619.8
等速
0
0
0
压制
初压
2×105
2.2×105
24×105
终压
2×106
2.2×106
24×106
快速回程
起动
4×105
4.4×105
96×105
等速
30500
33888.9
736715.2
制动
29737.5
33041.7
718297.8
表中
式（3.3）
D——表示液压缸内径，前面已给出；
式（3.4）
d——表示柱塞直径，前面已给出；
——表示液压缸效率，取0.9。
运动分析：
根据给定条件，空载快速下降行程600mm，速度100mm/s。
压制行程100mm，在开始的80mm内等速运动。
速度为10mm/s，最后的20mm内速度均匀地减至零，回程以50mm/s的速度上升。
利用以上数据可绘制出速度图，如图3-3所示。
图3-1液压系统负载图
图3-2液压系统工作压力
图3-3液压缸运动速度图
3.2.1.3液压缸流量的计算
（1）快速下行时
从文献[10]中查得
式（3.5）
式中
——表示液压缸内截面积；
——表示液压缸快进速度。
（2）工作行程时
式（3.6）
式中
——表示液压缸工进速度。
（3）快速回程时
式（3.7）
式中
——表示主缸有杆腔的有效工作面积；
——表示液压缸回程速度。
绘制出流量图，如图3-4
3.2.1.4液压缸功率的计算
（1）快速下行启动时
从文献[10]中查得
式（3.8）
（2）工作行程初压阶段
式（3.9）
（3）工作行程终压阶段
此过
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